4. Tulemused ja arutelu
4.4. Võrdlus varasemate uuringutega ja järeldused
Tabelis 5 on võrreldud käesolevas töös ja kirjanduses leitud vähimaid ja suurimaid analüütide sisaldusi töötlemata settes, reoveesette kompostis ja humifitseeritud settes. Töös saadud ravimijääkide sisaldused on sarnased varasemate uuringute tulemustega. Kõige madalamad sisaldused on olnud SMX-il ja SDM-il, fluorokinoloonide puhul on varieeruvus natuke suurem ja DIC ja CBZ-i puhul on varieeruvus teiste analüütidega võrreldes palju suurem. Üldiselt on antud töös saadud tulemuste varieeruvus väiksem kui varasemates uuringutes, mis võib tuleneda väiksemast proovide arvust.
26 Tabel 5. Käesolevas töös (1) ja varasemates uuringutes (2) saadud ravimijääkide sisalduste vahemikud (µg/kg KA) (Lillenberg, Yurchenko, et al., 2010; Magnér et al., 2016; Nei, Kutti ja Lillenberg, 2017; Ben Mordechay et al., 2018)
Tüüp SMX SDM NOR CIP OFL DIC CBZ
27 Saadud tulemuste põhjal võib öelda, et kuna fluorokinoloonide ja sulfoonamiidide sisaldused lõpp-produktides jäid alla 10 µg/kg KA, ei tohiks EL-i määruste kohaselt nende sisaldused väetisena probleeme valmistada. Samas kui võtta väetise piirmääraks 1 µg/kg kuivaine kohta, et vältida ravimiresistentsuse tekkimist, on olukord teine. Kuigi sulfoonamiidide sisaldus lõpp-produktis jääb keskkonnale ohutule tasemele, ületab fluorokinoloonide sisaldus soovitatud normi enamikus proovides mitmekordselt, diklofenak mitmekümnekordselt ja karbamasepiin mõnes proovis rohkem kui sajakordselt. Kuigi karbamasepiin ja diklofenak on sisaldustelt kõige domineerivamad, ei saa selle põhjal kindlalt öelda, et need ka kõige suuremat ohtu keskkonnale kujutavad, kuna ravimitel võib sama sisalduse juures olla väga erineva mastaabiga mõju. Kumbagi ei klassifitseerita antimikroobse ainena; samas on näidatud, et DIC võib käituda antibiootikumina mitmete bakterite suhtes (Riordan et al., 2011). Karbamasepiini sisaldus settes võib aga kiirendada bakteritel resistentsuse tekkimist antibiootikumide suhtes (Wang et al., 2019). Seega ei saa välistada võimalust, et ka analüüsitud proovide kasutamine pinnasel ohustab mulla mikroobikooslust ja tekitab AMR-i.
Autor leiab saadud tulemuste põhjal, et Eesti reoveepuhasites kasutatavad protsessid lagundavad sulfoonamiide piisavas, fluorokinoloone peaaegu piisavas ning diklofenaki ja karbamasepiini ebapiisavas hulgas. Humifitseerimise mõju ravimijääkide lagundamisele avaldub selgemalt alates teisest aastast. Nii komposteerimine kui ka humifitseerimine võivad vähendada ravimijääkide hulka settes, kuid analüütide varieeruvus lõpp-produktides on siiski suur. Kuna analüüsitud kompostiproovide tulemuste varieeruvus oli väiksem, saab komposteerimise positiivset mõju ravimijääkide lagundamisele kindlamalt väita.
Kuigi reoveesettele ei ole seatud ravimijääkide piirnorme, on Euroopa Liit soovitanud vältida üle 10 µg/kg kuivaine kohta ravimijääke sisaldava sõnniku kasutamist põllumajanduses. Antud töös uuritud setteproovides ületasid ravimijäägid sõnnikule soovitatud normi ja arvestada tuleb ka, et ravimijääkide omavahelised reaktsioonid võivad tugevdada nende mõju keskkonnale. Väikelinna puhastite reoveesette kasutamine väetisena võib käesoleva töö autori hinnangul olla potentsiaalselt ohtlik ja vajab kindlasti edaspidist uurimist. Esmajoones tuleks tegeleda karbamasepiini ja diklofenaki vähendamisega settes, kuna mainitud toimeainete sisaldused olid teistest analüütidest oluliselt suuremad ja ainsatena igas analüüsitud proovis tuvastatud.
28
Kokkuvõte
Ressursside vähenemise tõttu tuleb aina rohkem tegeleda ringmajandusega ja seetõttu ka reoveesette taaskasutusega, kuna sete on kõrgete toitaineväärtuste tõttu hea väetis põllumaal.
Inimtegevuse tagajärjel jõuavad settesse aga ka saasteained, mille sattumine väetise läbi keskkonda võib ohustada loodust ja viia antimikroobse resistentsuse tekkimisele mikroorganismides. Reoveesettes sisalduvaid ravimijääke seaduse alusel ei kontrollita ega piirata ja seetõttu puuduvad piisavad teadmised nende hulgast settes ja pikaajalisest mõjust keskkonnale.
Käesoleva bakalaureusetöö eesmärkideks oli (1) analüüsida Eestis levinumate settekäitlusmeetodite efektiivsust ravimijääkide eemaldamisel settest ja (2) hinnata väikelinna puhastis toodetud reoveesettekomposti ohtu ravimijääkide keskkonda sattumise kontekstis. Töös uuriti proove kümnest Eesti reoveepuhastist nii töötlemata kui ka töödeldud (komposteeritud või humifitseeritud) settest. Komposti ja humifikatsiooni puhul olid proovid võetud ka erinevate aastate lõikes. Töös analüüsiti kokku 33 SPE ja ASE meetodil ettevalmistatud proovi HPLC-MS/MS masinaga. Uuriti järgnevate paljukasutatavate toimeainete jääke: sulfametoksasool, sulfadimetoksiin, tsiprofloksatsiin, norfloksatsiin, ofloksatsiin, metformiin, diklofenak ja karbamasepiin. Metformiini jaoks ei olnud valitud metoodika sobilik ja seega selle ravimi sisalduse kohta proovides andmed puuduvad. Uuritud antibiootikumid (SMX, SDM, CIP, NOR, OFL) olid kõigis proovides pigem madalates kontsentratsioonides, samas DIC ja CBZ kõikusid tugevalt olenevalt proovist, kuid olid siiski kõigis proovides kõrgema sisaldusega. Ka lõpp-produktides oli nende ainete kontsentratsioon kõrge ja nende põllumajandusliku kasutusega võib kaasneda suur mõju pinnase mikroobikooslustele ja antimikroobse resistentsuse teke.
Töö autor leiab saadud tulemuste põhjal, et Eesti settekäitlusmeetodid on efektiivsed uuritud ravimijääkide sisalduse vähendamisel, kuid mitte täielikul lagundamisel. Lisaks ei täheldatud humifikatsiooni puhul olulist mõju karbamasepiini lagundamisele. Uuritud ravimijääkide sisaldused olid analüüsitud lõpp-produktides sageli kõrgemad kui kirjanduses väljapakutud ohutu sisaldus antimikroobse resistentsuse tekke vältimiseks (1 µg/kg kuivaine kohta). Seetõttu leiab töö autor, et Eesti väikepuhastite sette kasutamine väetisena võib ohustada keskkonda ja ravimijääkide potentsiaalset mõju ja levikut tuleks edaspidi uurida.
29
Summary
Due to the depletion of resources, humankind is forced to put more effort than ever into circular economy and therefore also into reusage of sewage sludge as a fertilizer in agriculture because of its high nutrient content. However, because of human activity, pollutants make their way into the sludge and used as a fertilizer they can be a threat to the environment and enhance the emerge of antimicrobial resistance. Pharmaceuticals levels in sewage sludge are not tested nor regulated by law and therefore knowledge is lacking about the amount of pharmaceuticals in sewage sludge and their long-term affects when exposed to the environment.
The purpose of this bachelor work was to analyse the effectiveness of common sludge treatment methods in Estonia in removing pharmaceuticals from the sludge and to evaluate the threat of using sewage sludge from Estonian small town wastewater treatment plants as a fertilizer. Samples were taken from ten Estonian wastewater treatment plants from both unprocessed and processed (composted or humified) sludge. With regards to composted and humified sludge, samples were taken from several years. 33 samples that were prepared using SPE and ASE method were analysed with HPLC-MS/MS. Following common pharmaceuticals were used: sulfamethoxazole, sulfadimethoxine, ciprofloxacin, norfloxacin, ofloxacin, metformin, diclofenac, and carbamazepine. Metformin could not be detected with the chosen method and therefore this work does not include results for this pharmaceutical. Analysed antibiotics (SMX, SDM, CIP, NOR, OFL) were in low concentrations in all samples, whereas DIC and CBZ fluctuated strongly depending on the sample while always being the analytes with the highest concentrations. The end products of the treatments had high DIC and CBZ content as well, which, when used as fertilizer, may lead to high impact for microbes in soil and emergence of antimicrobial resistance.
Based on the results of this work, the author of this paper believes that the sludge treatment methods in Estonia are effective in reducing the concentration of observed pharmaceuticals in wastewater sludge, but not entirely degrading them. The effects of degrading carbamazepine via humification were not observed. The concentrations of studied pharmaceuticals in end products were often higher than the suggested safe limits for preventing antimicrobial resistance (1 µg/kg DS). Therefore, using the sludge of small Estonian wastewater treatment plants as fertilizer, could be dangerous for the environment and the potential impact and distribution of pharmaceuticals should be further studied.
30
Tänuavaldused
Töö autor soovib südamest tänada Markus Raudkivi asjaliku ja kannatliku juhendamise eest ja Siiri Vellingut toetava juhendamise eest peamiselt töö praktilises osa.
Lisaks suur tänu analüütilise keemia õppetooli dotsendile Koit Herodesele abi eest LC-MS masina kasutamisel ja Maico Lechnerile tohutu abi eest proovide ettevalmistamisel ja analüüsil.
Autor tänab ka pere, sõpru ja ülikoolikaaslasi igakülgse toetuse eest.
31
Kasutatud kirjandus
Brillas, E. ja Sirés, I. (2015) „Electrochemical removal of pharmaceuticals from water streams:
Reactivity elucidation by mass spectrometry“, TrAC - Trends in Analytical Chemistry. Elsevier B.V., 70, lk 112–121. doi: 10.1016/j.trac.2015.01.013.
Cornel, P. ja Schaum, C. (2009) „Phosphorus recovery from wastewater: needs, technologies and costs“, Water Science and Technology, 59(6), lk 1069–1076. doi: 10.2166/wst.2009.045.
Drugs.com (2020a) Carbamazepine Uses, Dosage & Side Effects. Available at:
https://www.drugs.com/carbamazepine.html (Vaadatud: 18. mai 2020).
Drugs.com (2020b) Diclofenac Uses, Dosage & Side Effects. Available at:
https://www.drugs.com/diclofenac.html (Vaadatud: 7. mai 2020).
Drugs.com (2020c) Metformin: Side Effects, Dosage & Uses. Available at:
https://www.drugs.com/metformin.html (Vaadatud: 7. mai 2020).
Eawag (2015) 100 Water Treatment Plants must be Upgraded – Eawag Info day 2015, Eawag:
Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology. Available at:
https://www.admin.ch/gov/en/start/documentation/media-releases.msg-id-58567.html (Vaadatud:
27. mai 2020).
Egle, L. et al. (2016) „Phosphorus recovery from municipal wastewater: An integrated comparative technological, environmental and economic assessment of P recovery technologies“, Science of the Total Environment. Elsevier B.V., 571, lk 522–542. doi:
10.1016/j.scitotenv.2016.07.019.
Euroopa Komisjon (2017) A European One Health Action Plan against Antimicrobial Resistance (AMR).
European Sustainable Phosphorus Platform (2017a) Austria opts for manadatory phosphorus recovery from sewage sludge. Available at: https://phosphorusplatform.eu/scope-in-print/news/1396-austria-manadatory-p-recovery (Vaadatud: 31. mai 2020).
European Sustainable Phosphorus Platform (2017b) The Phosphorus Challenge. Available at:
https://www.phosphorusplatform.eu/links-and-resources/p-facts# (Vaadatud: 22. mai 2020).
32 Eurostat (2020) Sewage sludge production and disposal. Available at:
https://appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/show.do?dataset=env_ww_spd&lang=en (Vaadatud: 12.
mai 2020).
Haiba, E. et al. (2018) „On the degradation of metformin and carbamazepine residues in sewage sludge compost“, Agronomy Research, 16(3), lk 696–707. doi: 10.15159/AR.18.123.
Hatim, Y. (2020) „Morocco Remains World’s Largest Exporter of Phosphate, Phosphoric Acid“, Morocco World News.
Hillep, P. et al. (2015) Antibiootikumi kasutamise uuring Eesti elanikkonna seas.
Hover, B. M. et al. (2018) „Culture-independent discovery of the malacidins as calcium-dependent antibiotics with activity against multidrug-resistant Gram-positive pathogens“, Nature Microbiology. Nature Publishing Group, 3(4), lk 415–422. doi: 10.1038/s41564-018-0110-1.
Ileleji, K. E., Martin, C. ja Jones, D. (2015) „Basics of Energy Production through Anaerobic Digestion of Livestock Manure“, Bioenergy. Elsevier, lk 287–295. doi: 10.1016/b978-0-12-407909-0.00017-1.
Joss, A. et al. (2006) „Biological degradation of pharmaceuticals in municipal wastewater treatment: Proposing a classification scheme“, Water Research. Elsevier Ltd, 40(8), lk 1686–1696.
doi: 10.1016/j.watres.2006.02.014.
Kahn, H. ja Loit, H.-M. (2009) Tervise ABC. Toimetanud H. Kahn ja H.-M. Loit. Tallinn: Valgus.
Kipper, K. et al. (2017) „Simultaneous Determination of Fluoroquinolones and Sulfonamides Originating from Sewage Sludge Compost“, Scientific World Journal, 2017, lk 20–26. doi:
10.1155/2017/9254072.
Kümmerer, K. (toim) (2008) Pharmaceuticals in the Environment. Sources, Fate, Effects and Risks. 3rd edn. Springer Verlag.
Lillenberg, M., Litvin, S., et al. (2010) „Enrofloxacin and Ciprofloxacin Uptake by Plants from Soil“, Agronomy research (Tartu), 8(1), lk 807–814.
33 Lillenberg, M., Yurchenko, S., et al. (2010) „Presence of fluoroquinolones and sulfonamides in urban sewage sludge and their degradation as a result of composting“, International Journal of Environmental Science and Technology, 7(2), lk 307–312. doi: 10.1007/BF03326140.
Lillenberg, M. (2011) Residues of some Pharmaceuticals in Sewage Sludge in Estonia, their Stability in the Environment and Accumulation into Food Plants via Fertilzing.
Lindberg, R. H. et al. (2006) „Behavior of fluoroquinolones and trimethoprim during mechanical, chemical, and active sludge treatment of sewage water and digestion of sludge“, Environmental Science and Technology. American Chemical Society , 40(3), lk 1042–1048. doi:
10.1021/es0516211.
Magnér, J. et al. (2016) Fate of pharmaceutical residues - in sewage treatment and on farmland fertilized with sludge.
Mailler, R. et al. (2015) „Study of a large scale powdered activated carbon pilot: Removals of a wide range of emerging and priority micropollutants from wastewater treatment plant effluents“, Water Research. Elsevier Ltd, 72, lk 315–330. doi: 10.1016/j.watres.2014.10.047.
Mengozzi, G. et al. (1996) „Pharmacokinetics of enrofloxacin and its metabolite ciprofloxacin after intravenous and intramuscular administrations in sheep.“, American journal of veterinary research, 57(7), lk 1040–3.
Mohring, S. A. I. et al. (2009) „Degradation and elimination of various sulfonamides during anaerobic fermentation: A promising step on the way to sustainable pharmacy?“, Environmental Science and Technology. American Chemical Society, 43(7), lk 2569–2574. doi:
10.1021/es802042d.
Monteiro, S. C. ja Boxall, A. B. A. (2010) „Occurrence and Fate of Human Pharmaceuticals in the Environment“, Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, 202, lk 53–154. doi:
10.1007/978-1-4419-1157-5_2.
Montforts, M. H. M. M. (2005) The trigger values in the environmental risk assessment for (veterinary) medicines in the European Union: a critical appraisal.
34 Ben Mordechay, E. et al. (2018) „Composted biosolids and treated wastewater as sources of pharmaceuticals and personal care products for plant uptake: A case study with carbamazepine“, Environmental Pollution. Elsevier Ltd, 232, lk 164–172. doi: 10.1016/j.envpol.2017.09.029.
Nei, L., Kutti, S. ja Lillenberg, M. (2017) Degradation of diclofenac and triclosan residues in sewage sludge compost.
O’Neill, J. (toim) (2016) Tackling Drug-resistant Infections Globally: Final Report and Recommendations. Review on Antimicrobial Resistance. London.
Oaks, J. L. et al. (2004) „Diclofenac residues as the cause of vulture population decline in Pakistan“, Nature, 427(6975), lk 630–633. doi: 10.1038/nature02317.
Pérez, S., Eichhorn, P. ja Aga, D. S. (2005) „Evaluating the biodegradability of sulfamethazine, sulfamethoxazole, sulfathiazole, and trimethoprim at different stages of sewage treatment“, Environmental Toxicology and Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd, 24(6), lk 1361–1367. doi:
10.1897/04-211R.1.
Ravimiamet (2015) 20 aastat ravimistatistikat Eestis. 20 Years of Estonian Statistics on Medicines.
Toimetanud A. I. Ly Rootslane, Ott Laius, Katrin Kurvits. Tartu: Ravimiamet.
Ravimiamet (2016) Ravimid. Available at: https://www.ravimiamet.ee/ravimid-0 (Vaadatud: 24.
mai 2020).
Ravimiamet (2018) Fluorokinoloonide rühma antibiootikumide uued kasutamispiirangud.
Available at: https://ravimiamet.ee/fluorokinoloonide-rühma-antibiootikumide-uued-kasutamispiirangud (Vaadatud: 7. mai 2020).
Ravimiamet (2019a) Eesti ravimistatistika 2018. Available at:
https://www.ravimiamet.ee/ravimistatistika (Vaadatud: 19. mai 2020).
Ravimiamet (2019b) Veterinaarravimite statistika. Available at:
https://www.ravimiamet.ee/veterinaarravimite-statistika (Vaadatud: 19. mai 2020).
Riigi Teataja (2012) Reovee puhastamise ning heit- ja sademevee suublasse juhtimise kohta esitatavad nõuded, heit- ja sademevee reostusnäitajate piirmäärad ning nende nõuete täitmise kontrollimise meetmed. - VVm nr. 99, Lisa 1.
35 Riigi Teataja (2017) Reoveesettest toote valmistamise nõuded. Available at:
https://www.riigiteataja.ee/akt/128072017004?leiaKehtiv (Vaadatud: 12. mai 2020).
Riigi Teataja (2019) Haljastuses, rekultiveerimisel ja põllumajanduses kasutatava reoveesette kvaliteedi piirväärtused ning kasutamise nõuded. Riigi Teataja.
Riordan, J. T. et al. (2011) „Alterations in the transcriptome and antibiotic susceptibility of Staphylococcus aureus grown in the presence of diclofenac“, Annals of Clinical Microbiology and Antimicrobials. BioMed Central, 10(1), lk 30. doi: 10.1186/1476-0711-10-30.
Royal Society of Chemistry (2020a) Carbamazepine | C15H12N2O | ChemSpider. Available at:
http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.2457.html (Vaadatud: 18. mai 2020).
Royal Society of Chemistry (2020b) Ciprofloxacin | C17H18FN3O3 | ChemSpider. Available at:
http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.2662.html (Vaadatud: 12. aprill 2020).
Royal Society of Chemistry (2020c) Diclofenac | C14H11Cl2NO2 | ChemSpider. Available at:
http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.2925.html (Vaadatud: 13. aprill 2020).
Royal Society of Chemistry (2020d) Metformin | C4H11N5 | ChemSpider. Available at:
https://www.chemspider.com/Chemical-Structure.3949.html?rid=0b8c2dfc-e215-4349-8d76-fda77dcae8e6 (Vaadatud: 13. aprill 2020).
Royal Society of Chemistry (2020e) Norfloxacin | C16H18FN3O3 | ChemSpider. Available at:
http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.4380.html (Vaadatud: 12. aprill 2020).
Royal Society of Chemistry (2020f) Ofloxacin | C18H20FN3O4 | ChemSpider. Available at:
http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.4422.html (Vaadatud: 13. aprill 2020).
Royal Society of Chemistry (2020g) Sulfadimethoxine | C12H14N4O4S | ChemSpider. Available at: http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.5132.html (Vaadatud: 13. aprill 2020).
Royal Society of Chemistry (2020h) Sulfamethoxazole | C10H11N3O3S | ChemSpider. Available at: http://www.chemspider.com/Chemical-Structure.5138.html (Vaadatud: 13. aprill 2020).
Salem-Milani, A. et al. (2013) „Antibacterial Effect of Diclofenac Sodium on Enterococcus faecalis.“, Journal of dentistry (Tehran, Iran). Tehran University of Medical Sciences, 10(1), lk 16–22.
36 Schaum, C. (2018) Phosphorus: Polluter and Resource of the Future - Removal and Recovery from Wastewater, Water Intelligence Online. IWA Publishing. doi: 10.2166/9781780408361.
Sirés, I. ja Brillas, E. (2012) „Remediation of water pollution caused by pharmaceutical residues based on electrochemical separation and degradation technologies: A review“, Environment International. Elsevier Ltd, lk 212–229. doi: 10.1016/j.envint.2011.07.012.
Stokes, J. M. et al. (2020) „A Deep Learning Approach to Antibiotic Discovery“, Cell. Cell Press, 180(4), lk 688-702.e13. doi: 10.1016/j.cell.2020.01.021.
Stumpf, M. et al. (1999) „Polar drug residues in sewage and natural waters in the state of Rio de Janeiro, Brazil.“, The Science of the total environment, 225(1–2), lk 135–41. doi: 10.1016/s0048-9697(98)00339-8.
Ternes, T. A. et al. (2004) „A rapid method to measure the solid-water distribution coefficient (K d) for pharmaceuticals and musk fragrances in sewage sludge“, Water Research. Elsevier Ltd, 38(19), lk 4075–4084. doi: 10.1016/j.watres.2004.07.015.
Thiele-Bruhn, S. (2003) „Pharmaceutical antibiotic compounds in soils - A review“, Journal of Plant Nutrition and Soil Science. John Wiley & Sons, Ltd, 166(2), lk 145–167. doi:
10.1002/jpln.200390023.
Verlicchi, P. ja Zambello, E. (2015) „Pharmaceuticals and personal care products in untreated and treated sewage sludge: Occurrence and environmental risk in the case of application on soil - A critical review“, Science of the Total Environment. Elsevier B.V., 538, lk 750–767. doi:
10.1016/j.scitotenv.2015.08.108.
Vieno, N. M., Tuhkanen, T. ja Kronberg, L. (2005) „Seasonal variation in the occurrence of pharmaceuticals in effluents from a sewage treatment plant and in the recipient water“, Environmental Science and Technology. Environ Sci Technol, 39(21), lk 8220–8226. doi:
10.1021/es051124k.
Wang, Y. et al. (2019) „Antiepileptic drug carbamazepine promotes horizontal transfer of plasmid-borne multi-antibiotic resistance genes within and across bacterial genera“, ISME Journal. Nature Publishing Group, 13(2), lk 509–522. doi: 10.1038/s41396-018-0275-x.
37 Wishart, D. S. (2006) „DrugBank: a comprehensive resource for in silico drug discovery and exploration“, Nucleic Acids Research, 34(90001), lk D668–D672. doi: 10.1093/nar/gkj067.
Youngquist, C. P., Mitchell, S. M. ja Cogger, C. G. (2016) „Fate of Antibiotics and Antibiotic Resistance during Digestion and Composting: A Review“, Journal of Environmental Quality, 45(2), lk 537–545. doi: 10.2134/jeq2015.05.0256.
38